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Peter Grünberg Institut
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Alternative Gate Dielektrika

Viele Materialien sind als Ersatz für SiO2 in Feldeffekt-Transistoren vorgeschlagen worden, aber ein idealer Ersatz ist immer noch nicht gefunden. Hf-basierte Lösungen sind erfolgreich für den 45 nm Knoten eingesetzt worden, aber laut ITRS-roadmap werden anderen Materialien für die weitere Skalierung benötigt. Wir untersuchen ternäre Oxide (Rare Earth-Scandates) die vielversprechende Eigenschaften aufweisen. Diese Materialien haben wir in Langkanal-MOS-Transistoren und anderen Bauelementen (e.g. ChemoFETs, nanowire-FET) verwendet.

Alternative Gate Dielektrika mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (k) werden dringend in der zukünftigen Nanoelektronik benötigt. Um die Bauelement-Eigenschaften zu verbessern wurde bisher die SiO2-Dicke des thermisch gewachsenen Oxids im MOSFET immer weiter reduziert. Das führt aber auf Grund von Tunnelströmen zu intolerablen Leckströmen durch die ultradünnen Oxide (≈ 1,2 nm), was eine weitere Skalierung verhindert. Dieses Problem kann durch andere alternative Oxide gelöst werden, die eine wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante (k>20) aufweisen. Viele Materialien wurden untersucht und Hf-basierte Oxide fanden den Einzug in den 45 nm Produktionsprozess der Firma Intel. Aber das ideale Material ist noch nicht gefunden. Es muß eine Vielzahl von Voraussetzungen erfüllen. Neben einem genügend hohen k-Wert muß es strukturell und chemisch kompatibel zu Silizium sein, eine genügend große Bandlücke zu Silizium aufweisen und die Bandkanten Abstände müssen größer als 1 eV sein. Zusätzlich ist eine Kompatibilität zu einem CMOS-Prozess notwendig. Besonders kritisch ist die Oxid/Silizium Grenzfläche und hier im speziellen die Grenzflächen-Defektdichte und deren Einfluß auf die Ladungsträgerbeweglichkeit. Wir glauben, daß die Seltenen-Erd-basierten ternären Oxide vielversprechende Materialien sind.

Optical Band GapD.G. Schlom et. al.,Gate Oxides Beyond SiO2, MRS Bulletin V. 33, November 2008,1017-1025

Diese Aktivitäten sind in Europäischen Forschungsprojekten integriert: NANOSIL und DECISIF (MEDEA+).

Publikationen:

Durgun Özben, E.; Lopes, J.M.J.; Nichau, A.; Schnee, M.; Lenk, S.; Besmehn, A.; Bourdelle, K.K.*; Zhao, Q.T.; Schubert, J.; and Mantl, S.
Integration of LaLuO3 (к ~30) as High-ĸ Dielectric on Strained and Unstrained SOI MOSFETs with a Replacement Gate Process
IEEE Electronic Device Letters 32 (2011), 15-17

Roeckerath, M.; Lopes, J.M.J.; Durğun-Özben, E.; Sandow, C.; Lenk, S.; Heeg, T.; Schubert, J.; Mantl, S.
Gadolinium scandate as an alternative gate dielectric in field effect transistors on conventional and strained silicon
Appl. Phys. A 94 (2009) 521–524

Durğun-Özben,E.; Lopes, J.M.J.; Roeckerath, M.; Lenk, St.; Holländer, B.; Jia, Y.; Schlom, D.G.; Schubert, J.; Mantl, S.
SmScO3 thin films as an alternative gate dielectric
Appl. Phys. Lett. 93, (2008) 052902 (3 pages)

Lopes, J.M.J.; Roeckerath, M.; Heeg, T.; Littmark, U.; Schubert, J.; Mantl, S.; Jia, Y.; Schlom, D.G.
La-based ternary rare-earth oxides as alternative high-k dielectrics
Microelectronic Engineering 84 (2007) 1890–1893

Wagner, M.; Heeg, T.; Schubert, J.; Lenk, St.; Mantl, S.; Zhao, C.; Caymax, M.
Gadolinium scandate thin films as an alternative gate dielectric prepared by electron beam evaporation
Appl. Phys. Lett. 88, (2006) 172901

Lopes, J.M.J.; Roeckerath, M.; Heeg, T.; Rije, E.; Schubert, J.; Mantl S.; Afanas’ev, V.V.; Shamuilia, S.; Stesmans, A.; Jia, Y.; Schlom, D.G.
Amorphous lanthanum lutetium oxide thin films as an alternative high-k gate dielectric
Appl. Phys. Lett. 89, (2006) 222902 (3 pages)

Zhao, C.; Witters, T.; Brijs, B.; Bender, H.; Richard, O.; Caymax, M.; Heeg, T.; Schubert, J.; Afanas’ev, V.V.; Stesmans, A.; Schlom, D.G.
Ternary rare-earth metal oxide high-k layers on silicon oxide
Appl. Phys. Lett. 86, (2005) 132903

Afanas’ev, V.V.; Stesmans, A.; Zhao, C.; Caymax, M.; Heeg, T.; Schubert, J.; Jia, Y.; Schlom, D.G.; Lucovsky, G.
Band alignment between (100)Si and complex rare earth/transition metal oxides
Appl. Phys. Lett. 85, (2004) 24, 5917-5919


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